機電一體化系統設計 (電子書)

內容簡介
前言
第1章 機電一體化系統概論
1.1 機電一體化系統基礎知識
1.2 機電一體化系統的組成及功能
1.3 機電一體化技術與其他技術關係
1.4 機電一體化系統的分類及應用
1.5 機電一體化系統各要素之間的關係
1.6 機電一體化的發展
複習思考題
第2章 位置控制的數學方法
2.1 概述
2.2 插補運算
2.3 逐點比較法的直線和圓弧的插補原理
2.4 輪廓步長法插補
複習思考題
第3章 機械系統部件的選擇與設計
3.1 概述
3.2 機械傳動部件的設計要求和原則
3.3 齒輪副傳動
3.4 滾珠絲杠副傳動部件
3.5 同步齒形帶傳動
3.6 諧波齒輪傳動
3.7 導軌副的設計與選擇
3.8 導軌的潤滑與防護
複習思考題
第4章 傳感檢測系統
4.1 感測器與檢測技術基礎知識
4.2 行程開關
4.3 光電感測器
4.4 電阻應變感測器
4.5 電感感測器
4.6 電容感測器
4.7 磁電感測器
4.8 磁敏感測器
4.9 光柵感測器
4.10 光電編碼器
4.11 旋轉變壓器
4.12 檢測變換基本電路
4.13 儀器儀錶放大器
4.14 恒壓恒流電路
4.15 DC4~20mA電路
4.16 電源電路
4.17 IO口的隔離輸入、輸出
4.18 Pt100溫度測量
複習思考題
第5章 執行元件
5.1 執行元件的分類及特點
5.2 機電一體化系統常用的控制電動機
5.3 步進電動機及其驅動
5.4 步進電動機的運行特性及性能指標
5.5 步進電動機的控制電路及驅動控制器
5.6 伺服電動機及其驅動
複習思考題
第6章 機電參數的相互匹配
6.1 機電一體化系統裝備對伺服系統的要求
6.2 慣量分析
6.3 容量匹配和速度匹配
複習思考題
第7章 自動糾偏及其控制系統
7.1 自動糾偏的應用、分類、組成
7.2 自動糾偏的工作原理說明
7.3 自動糾偏機械執行機構
7.4 自動糾偏控制介面電路
7.5 自動糾偏控制電路原理
7.6 上位機觸控式螢幕軟體MCGS介紹
7.7 自動糾偏控制器軟體設計
複習思考題
第8章 XY數控工作臺
8.1 XY數控工作臺的結構及工作原理
8.2 直線插補程式說明
8.3 圓弧插補程式說明
複習思考題
複習思考題參考答案
第1章
第2章
第3章
第4章
第5章
第6章
第7章
第8章
參考文獻

前言
為適應部分高等院校及高職、高專院校向應用技術型人才培養迅速轉型的趨勢，在此出版本書。機電一體化系統設計是隨著生產和技術的發展，在以機械技術、電子技術、電腦技術為主的多門學科相互滲透、互相結合的過程中逐漸形成和發展起來的一門新興邊緣技術。

“機電一體化系統”是一個綜合的概念，包含技術和產品兩方面的內容。“機電一體化技術”是指包括技術基礎、技術原理在內的，使機電一體化產品得以實現、使用和發展的技術。“機電一體化產品”是指採用機電一體化技術在基本產品的基礎上創造出來的新一代產品。

在工程技術學科系譜中，機械電子學仍屬於機械工程範疇。按照機械電子學的觀點，凡是由各種現代高新技術與機械和電子技術相結合而形成的各種技術、產品（或系統）都應屬於機電一體化的範疇。機器人、柔性製造系統（FMS）、電腦集成製造系統（CIMS）及自動化生產工程都在機電一體化的範疇之內。

可以說，機電一體化系統或產品已深入社會的各個方面。例如，數控機床、機器人、加工中心、自動生產設備等生產用機電一體化產品和系統；自動倉庫、自動空調與製冷系統及設備；自動稱量、分選、銷售及現金處理系統等儲存、銷售用機電一體化產品；影印機、打字機、掃描器等辦公自動化設備；CT機、心電圖機、X光機等醫療設備；自動清掃機器人、取款機、取票排隊機等環保及公共服務產品；全自動洗衣機、數位化空調、冰箱等家電產品；航天器、太空船、探月車等航太科研設備，都是機電一體化產品。在未來的發展中，機電一體化技術是工業機械化發展的必然趨勢。

傳統的機械設計主要以解決運動學和動力學為主，現代機械系統及裝備都是光、機、電、液等高度一體化的複雜技術系統。本書圍繞機電一體化系統（產品）的機械系統、傳感檢測系統、資訊處理系統、動力源、執行元件系統五個子系統，講解各部分之間的相互關係、相互作用，闡明機械系統應具有良好的伺服性能，以滿足小型、輕量、高速、低雜訊和高可靠性等要求。機電控制系統部分採用常用的上、下位機控制方式，從上位機的人機界面設計到下位機的嵌入式系統程式設計，以及上、下位機的MODBUS通信協議，在“人—機—環境”這個大系統中進行較為詳細的說明。傳感檢測系統部分重點介紹感測器的後續電路及與微處理器的介面電路。執行元件部分著重講解步進（或伺服）電動機的工作原理，說明驅動器與微處理器之間的介面電路，給出插補運算的軟體設計。全書著重強調機電一體化系統的應用技術。

本書分8章，前6章介紹機電一體化系統基礎知識，後兩章採用案例形式系統說明兩個典型機電一體化產品的功能及應用，包括軟、硬體設計。

第1章介紹機電一體化系統的基礎知識，闡述機電一體化系統的組成及功能，分類及應用，以及機電一體化系統各要素之間的關係，等等。第2章介紹機電一體化系統中常用的位置控制的數學方法，重點講解逐點比較法的直線和圓弧的插補原理。第3章介紹機械系統部件的選擇與設計，針對機電一體化系統對機械部分的要求和設計原則，闡述機械傳動和支撐的設計，重點介紹傳動系統中的間隙調整，包括齒輪副傳動間隙和滾珠絲杠副間隙調整的方法。第4章傳感檢測系統，介紹機械中常用感測器及其信號預處理電路，檢測變換介面電路、工業上常用的DC 4~20mA變換電路和隔離的IO口輸入、輸出電路的設計等；對常用電路，如電壓跟隨器、同相放大器、反相放大器、差動放大電路、儀器儀錶放大器、DC 4~20mA變換電路及恒流恒壓電路，從運放的三個基本特點進行了深入淺出的說明，讓讀者很容易得出輸出與輸入的關係。第5章執行元件，介紹執行元件的分類與特點，重點介紹步進（伺服）電動機及其驅動，步進電動機的運行特性及性能指標、步進電動機的控制電路及驅動控制器。第6章介紹機電參數的相互匹配，說明伺服電機與機械負載的慣量匹配、容量匹配和速度匹配方法，重點介紹等效轉動慣量的折算方法。

第7章，以食品、輕工、印刷、塑膠、橡膠和鋼鐵等行業中機電設備常用的糾偏系統為例，說明典型機電一體化系統的工作原理及應用，給出自動糾偏機械執行機構及自動糾偏控制電路原理，並通過上、下位機控制方式詳細說明上、下位機的MODBUS通信協定、介面原理和軟體設計；上位機採用MCGS工業觸控式螢幕，在此詳細介紹上位機自動糾偏控制系統的組態軟體設計和下位機STM32的Keil C軟體設計，目的在於通過簡單的實例，說明典型的機電一體化系統控制系統的實現。第8章，XY數控工作臺是數控車床、數控銑床和數控鑽床的工作臺，是鐳射加工設備的工作臺，是表面貼裝設備、刻字機、3D列印雕刻的基本部件，本章利用案例介紹數控工作臺的工作原理，說明其控制方式及實現方法，詳細給出直線插補和圓弧插補的C語言程式。

本書內容比較多，教師在具體的教學內容安排上，可根據實際情況進行選擇或取捨，也可將書中部分內容作為某一課程的教材或作為課程設計的輔助教材。例如，第4章傳感檢測系統可作為機械工程測試相關課程的教材內容；後兩章案例部分可作為機電一體化系統設計課程設計的輔助教材。

本書由大連工業大學機械工程與自動化學院的丁金華和王學俊老師共同編寫。其中，丁金華完成第1、4、5、6、7和8章內容的編寫工作；王學俊完成第2、3章內容的編寫工作。全書由丁金華和魏鴻磊統稿，並對習題及習題答案進行了整理與編輯。

因編者能力有限，不妥之處在所難免，希望各位讀者提出寶貴意見，以便今後修訂時進一步完善。

編者